線性穩壓器的電壓輸入至輸出控制——系列文章1-2：快速入門和優勢

作者：ADI 產品應用資深工程師 Andrew Radosevich 以及產品行銷經理 Matt Grobelny

摘要

本系列文章由兩部分組成，第一部分介紹電壓輸入至輸出控制(VIOC)系統。這種系統通常配置為具有VIOC特性的低壓差(LDO)穩壓器和降壓拓撲開關穩壓器的組合。隨後，文章針對VIOC系統設計提供了具體指導，包括LDO和開關穩壓器的建議搭配清單，並說明了搭配的理由。文章最後闡述了如何使用LDO的VIOC特性來降低LDO輸出端的雜訊、優化功耗、在故障期間保護系統，確保系統在啟動和超載等動態條件下正常運行。而系列文章第二部分將在第一部分的基礎上，進一步探討VIOC系統設計，並介紹VIOC的工作原理和背景。

引言

在電源管理領域，低壓差(LDO)穩壓器對確保電子元件獲得高性能電源產生關鍵作用。LDO的低雜訊性能十分重要，尤其是在精密類比電路、RF系統和醫療裝置等雜訊敏感型應用中，LDO可提供純淨的電源，有效降低干擾，增強訊號完整性。LDO與電壓輸入至輸出控制(VIOC)功能及相容的開關穩壓器配合使用時，可形成一個始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統。這種設計不僅能顯著降低雜訊，實現高電源電壓抑制比(PSRR)，還能確保系統高效運行、受到保護且具備強大性能。本文深入探討了實現VIOC的複雜細節，並闡述VIOC的優勢和實際應用。透過瞭解VIOC的協同作用，工程師可以優化各種電子裝置的電源管理解決方案。

無論是否具有VIOC，LDO都屬於電源管理產品類別。電源管理涉及使用穩壓器或轉換器等積體電路(IC)來為放大器、資料轉換器或處理器等電子負載供電。LDO是電源管理IC的一個子類，目的在為電子負載直接供電，主要作用包括：提升負載性能，有效降低負載之間不必要的相互干擾，確保系統中的電源IC和負載按正確時序上電和關斷。

具有VIOC的LDO透過內部電路提供一個外部訊號來控制為LDO供電的開關穩壓器的輸出，進而使LDO的輸入輸出電壓差保持恆定，如圖1所示。線性穩壓器本質上是電晶體電路，能夠以相對較低的雜訊供電，但對輸入輸出電壓差很敏感，效率也由此決定。開關穩壓器透過功率電晶體（開關）的快速切換來傳輸能量。開關穩壓器使用功率開關及電感和二極體，高效地將輸入電壓轉換為更適合為LDO供電的電壓。

使用VIOC將降壓轉換器與LDO相結合以增強性能

典型的VIOC電路採用降壓開關穩壓器來為具有VIOC特性的LDO供電。由此得到的電路是一種非常強大的配置，兼具降壓穩壓器的高效率特性和LDO的低雜訊性能。降壓穩壓器又稱為降壓轉換器，是一種開關轉換器，能夠高效地將輸入轉換為低於輸入電壓的穩定輸出。

創建VIOC電路的第一步是選擇LDO和開關穩壓器。ADI提供多種整合VIOC功能的LDO。LT3045-1和LT3041系列及LT3073、LT3074和LT3078系列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041線性穩壓器的輸出電流範圍為500 mA至1 A，輸入電壓範圍約為2 V至20 V，只需要一個輸入電源。LT3073、LT3074和LT3078的輸出電流範圍為3 A至5 A，輸入電壓範圍為0.6 V至5.5 V，需要一個額外的低電流BIAS輸入電源。任何具有回饋(FB)接腳的開關穩壓器都可以與這些使用VIOC的LDO組合使用，但在選擇設計所用開關穩壓器之前，請注意以下事項：

• 支援VIOC的LDO可與任何類型的開關穩壓器拓撲配合使用，但最常與降壓穩壓器配合使用。
• LT3045-1和LT3041 LDO必須與FB電壓為1 V或更低的開關穩壓器搭配，使得LDO VIOC接腳可以在1 V電壓下工作（有關詳細資訊，請參閱產品手冊）。
• 在VIOC系統中，具有補償接腳的開關穩壓器相較於沒有補償接腳的開關穩壓器，可能更容易穩定。
• 開關穩壓器和LDO評估板可以方便地評估VIOC系統硬體的工作。
• 具有VIOC功能的LDO不能與Silent Switcher® 3 (SS3)開關穩壓器搭配使用，因為SS3穩壓器沒有常規FB接腳。
• 相較於典型VIOC電路，具有整合高側回饋電阻的µModule®穩壓器無法使LDO保持恆定的輸入輸出電壓差。
• 使用VIOC的電路需要專用電壓軌作為LDO前級，而不是支援多個電壓軌的前級。
• 相較於獨立LDO設計，VIOC需要更多元件。VIOC電路所需的額外元件包括：為LDO供電的開關穩壓器的回饋分壓器中的額外電阻器，以及開關穩壓器輸出通常使用的額外電容。

為了簡化設計過程，ADI提供指導來說明哪些降壓開關穩壓器最適合搭配帶有VIOC特性的特定LDO使用。表1列出了與具有VIOC的推薦LDO組合使用的合適開關穩壓器，並提供所有LDO的說明。這些搭配基於前面列出的考慮因素，因此在建構由降壓穩壓器和具有VIOC特性的LDO組成的VIOC電路時，請遵循上述文章內容和表1提供的指導。表1所列LDO的產品手冊中並提供了許多VIOC電路參考設計。

表2則提供了表1所列降壓穩壓器的詳細說明。這些資訊有助於設計人員選擇不僅滿足電氣要求，而且符合限制條件（例如開關穩壓器的輸入電壓範圍、負載電流能力和工作電流）的穩壓器。除了推薦用於VIOC的開關穩壓器外，表2還列出了開關穩壓器的回饋接腳電壓、可用模式、評估板產品型號和補償接腳的可用性。

VIOC的雜訊最小化和高PSRR優勢

如上所述，當LDO與VIOC功能及相容的開關穩壓器配合使用時，可形成一個始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統，進而不僅顯著降低雜訊，實現高PSRR，還能提升性能。

有些使用者只是想改變LDO的輸出電壓，但不希望採用複雜的方案來調節給LDO電源供電的開關穩壓器的輸出電壓。與圖1中的電路相反，圖3所示的電路沒有VIOC，因此當調高或調低LDO輸出時，開關穩壓器的輸出保持不變。圖2顯示，圖3電路的PSRR性能在LDO輸出電壓較高情況下會下降，原因是在LDO輸出電壓增加而LDO輸入不增加的情況下，開關穩壓器的輸出電壓漣波在LDO輸出端引起的雜訊會增加。

現在考慮一下VIOC相較於圖2和圖3所示例子的優勢。圖1電路所示的VIOC系統會在LDO輸出發生變化時，維持LDO的輸入輸出電壓差一致，使基於有效抑制雜訊的PSRR保持高水準。開關穩壓器的輸出電壓會在LDO輸出降低時自行調低，在LDO輸出提高時自行調高。因此，當LDO的輸出電壓變化到三個不同位準時，開關穩壓器的輸出電壓漣波在LDO輸出端引起的雜訊依然保持較低水準，如圖4所示。

VIOC的優勢：提升效率、加強保護和優化運行

除了雜訊最小化、高PSRR優勢之外，具有VIOC的系統還能始終保持最佳的輸入輸出電壓差，使其工作高效、安全且性能強大。效率方面的優勢是顯而易見的，因為當LDO輸出電壓降低而LDO輸入電壓保持不變時（如圖3電路所示），LDO的功耗會增加，效率會降低。對於圖1中的VIOC系統，即使LDO輸出發生變化，VIOC也能使LDO保持恆定的輸入輸出電壓差，因此功耗保持不變。

此外，在不使用VIOC的系統中，某些情況和故障可能會導致LDO輸入輸出電壓差增大到不可接受的水準。例如，如果開關穩壓器輸出和LDO輸出都被設定為相對較高的電壓，並且LDO上存在輸出短路故障，則LDO輸入輸出電壓差可能會急劇增大。LDO上的輸出短路故障會導致LDO兩端的輸入輸出電壓差過高，因為沒有VIOC來強制開關穩壓器的輸出電壓降低並維持設定的LDO輸入輸出電壓差。當LDO輸出短路時，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差會大幅增加LDO的功耗，使得LDO溫度可能超過建議工作溫度，進而造成可靠性降低。

當LDO輸出短路時，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差還會阻止LDO在短路輸出故障消除後正常恢復，因為許多高壓LDO具有一種稱為限流折返的保護特性。

限流折返是電源和穩壓器中使用的一種保護技術，用於在發生過流或短路情況時降低輸出電流。與在故障期間維持恆定電流的簡單限流不同，折返限流會同時降低輸出電壓和電流，進而降低電路元件的功耗。這有助於保護電源和相連元件免於因過熱和過大電流而受損。¹

圖5顯示了LT3041 LDO的典型限流折返。注意在圖5中，當輸入輸出電壓差大於11 V時，LDO能夠輸出更小的電流。ADI的許多LDO產品手冊都包含一個名為「超載恢復」的章節，其中解釋了當LDO輸出上的短路故障消除後，為什麼限流折返可以阻止輸出電壓設定值和負載相對較高的LDO恢復到正確的輸出電壓。

無VIOC的電路中的限流折返也會阻止高電壓電路正常啟動，因為當電路開啟時，LDO的輸出電壓最初為 0V，然後逐漸上升至正常運行期間的期望輸出穩定電壓。如果輸入電壓在開啟時相對較高，限流折返可能會過度限制LDO電流，並阻止LDO輸出電壓上升至期望的穩定電壓。VIOC自動維持正確的開關穩壓器輸出電壓，進而維持正確的LDO輸入輸出電壓差，確保電路在故障和啟動情況下都能正常工作。

結語

本系列文章的第一部分在於協助讀者理解如何使用支援VIOC的LDO與降壓穩壓器的組合（現代應用中最普遍的配置）來針對設計高效、低雜訊電源系統奠定基礎。本文並探討推薦的LDO與開關穩壓器搭配方案及其背後的依據，說明深思熟慮的元件選擇能夠顯著提升系統性能，接著展示如何利用VIOC特性降低輸出雜訊、提高熱效率，並增強啟動和超載恢復期間的系統保護和性能。

系列文章的第二部分則將探討這些元件如何保持恆定的輸入輸出電壓差，並介紹可簡化VIOC系統實現的實用工具。

參考文獻

¹T.K.Hareendran，“Foldback Current Limiting - Little Secrets”，Codrey，2021年11月。